无人机航测技术与应用课件：卫星导航与RTK测量

卫星导航与RTK测量

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GPS卫星导航方法4.4.2

GNSS-RTK测量4.4.1

GPS卫星导航方法导航的任务是引导航行体自起点出发沿着预定的航线，经济而安全地到达目的地。经常测定航行中的航行体位置，是完成导航任务的一个重要课题，因为引航人员需要随时了解航行体已经到达的位置，以便掌握航行体的运动状态，判明其有无偏离预定的航线，偏离的程度如何，当前的处境有无危险，原定计划航线能否继续实施，还是需做适当的调整和修正等。正因为在航行中定位问题如此重要，因此习惯上将测定位置的方法和技术称为导航。4.4.1

GPS卫星导航方法

1．基本概念对于任何某一具体的导航过程，首先必须确定本次航行的起始点、目的点以及航行计划路径。路径的标定一般是用一系列均匀分布于路径上的坐标点来确定，这些坐标点称为航路点。起始点、目的点、航路点的位置坐标可以是从地图上量取的，也可以是直接测得的，总之必须是已知的，如图4-33所示。4.4.1

GPS卫星导航方法在航行过程中，GPS定位系统能够实时提供航行体位置信息（即坐标），结合计算机中存储的航行路径中各航路点位置信息，可以计算出各种可以用来纠正航行偏差、指导正确航行方向的制导参数，如应飞航迹角、偏航距和待航距离（待航时间）等，如图4-34所示。各制导参数的含义如下：4.4.1

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GPS卫星导航方法（1）应飞航迹角正北方向顺时针旋转到航行计划规定航线的角度。（2）地速v邻近航路点相连构成的航行轨迹的前进方向。（3）真航向瞬间机身的飞行方向。（4）航迹角正北方向顺时针旋转到地速v方向的夹角。（5）偏流角真航向与地速v之间的瞬间夹角。（6）航迹角误差地速v与航行计划规定的航线间的夹角。（7）偏航距瞬间飞机的中心位置偏离航行计划规定航线的距离。4.4.1

GPS卫星导航方法利用制导参数，可以计算出航行体的操作指令，再通过控制系统，可以实现航行的自动控制。按照给定的航行计划航行，常因自然条件和任务的改变而不可能实现。随着科学技术的发展，20世纪80年代民用飞机以经济、准时、安全为目的，发展形成了飞行管理系统；军用飞机以完成军事任务为目的，发展形成了飞行综合控制系统；公路交通以经济、快速为目的，发展形成了智能交通管理系统。4.4.1

GPS卫星导航方法这些系统都能在任务和地理、交通、气象情况改变的条件下自动计算出最优的前进路径，并将控制系统和导航系统组合在一起，完成航行任务。这些系统对导航系统的准确性和可靠性提出了更高的要求，促使导航系统向综合化和容错化方向发展。4.4.1

GPS卫星导航方法2．GPS单机导航顾名思义，单机就是在航行体上仅仅装配一台GPS接收机，单独实时导航，其在地质勘探、资源调查、船只航行、汽车导航等方面得到了广泛应用。因为一台GPS接收机只要能接收到4颗以上的卫星信号便可测定出所在的位置。因此，GPS单机导航操作和使用非常简单，价格也便宜，且具有全天候、全球性、较高精度及实时三维定位和测速能力。4.4.1

GPS卫星导航方法但是在众多的情况下，单机导航还需要配备适当的辅助设备，以保证导航的可靠性。如船只航行不仅要确定船的实时位置，还必须实时测定水深，才不致使船只触礁而保证能够安全地航行。4.4.1

GPS卫星导航方法又如汽车导航时，当汽车行驶在高层建筑林立的街道或林荫道上时，可能GPS接收机接收不到足够的卫星数以满足定位的需要，故一般在汽车上还要配备电子罗盘，结合速度计和相应软件来实现不能实施GPS定位情况下的连续定位导航工作。在陆地车辆的导航中，还经常配备导航电子地图、交通信息库和智能选线功能，以帮助驾驶员安全、快速地到达目的地。4.4.1

GPS卫星导航方法

3．差分GPS导航由于SA（SelectiveAvailability）政策即可用性选择政策降低了使用C/A码单频接收机民用用户的定位精度，因而提出了如何提高民用定位精度的问题。差分GPS导航就是适应这一要求而产生的，其原理如图4-35所示。在地面已知位置上设置一个地面站，地面站由一个GPS差分接收机和一个GPS差分发射机组成。差分接收机接收GPS卫星信号，监测GPS差分系统的误差，并按规定的时间间隔将修正信息发送给用户，用户再用修正信息校正自己的测量或位置解。差分GPS导航有以下两种工作方式。4.4.1

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GPS卫星导航方法（1）位置差分法差分接收机和用户接收机一样，通过伪距测量确定自己的位置，即将测量确定的位置数据和已知位置数据进行比较，求得位置改正数Δx、Δy、Δz。通过发射机将这些位置修正信息发送给用户接收机，用户接收机再用以校正自己的输出坐标。4.4.1

GPS卫星导航方法（2）伪距差分法地面接收机对所有可见卫星测距，并根据星历数据和已知位置计算用户到卫星的距离，两者相减得到伪距误差，将伪距误差作为修正信息发送给用户接收机，用户接收机用来修正自己测量的伪距，然后进行定位计算。这种方法不要求用户接收机和地面接收机使用相同的星座，使用方便，但对地面接收机要求的通道数多。4.4.1

GPS卫星导航方法上述两种工作方式都是以用户接收机和地面接收机具有相同的误差为前提的。实际上两台接收机所处的位置不同，接收机本身也不一样，因此误差不可能相同，因而随着两台接收机间距离的增大，修正效果会变差。4.4.1

GPS卫星导航方法在差分GPS导航中，如果地面站向用户发送修正信息时，能够完全按照导航卫星发送的信号格式发送信号，则用户接收机就可以把地面站也看作是一颗卫星，称为“伪卫星”。这种采用伪卫星的差分GPS相当于增加了一颗卫星，因而可以有效地改善导航卫星的几何配置，从而进一步提高导航精度，而且可以增强完整性自主检测的能力。4.4.1

GPS卫星导航方法4．GPS/惯性综合导航GPS是一种高精度的全球三维实时导航的卫星导航系统，其导航定位的全球性和高精度，使之成为一种先进的导航设备。但是GPS也存在一些不足之处，主要是：卫星星座对地球覆盖不完善，特别是在中纬度地区，存在所谓的“间隔区”。另外，GPS接收机的工作受到飞行器机动的影响，当飞行器的机动超过GPS接收机的动态范围时，接收机会失锁，从而不能工作，或者动态误差太大，超过允许值，不能使用。4.4.1

GPS卫星导航方法当用于无人驾驶的飞行器时，由于GPS接收机数据更新频率低（一般每秒一次），因而难以满足实时控制的要求。由于上述不足，目前GPS全球定位系统在高可靠性的领域，还只能作为一种辅助导航设备，而不能作为唯一的导航设备使用。

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GPS卫星导航方法惯性导航系统由于工作的完全自主性，在航空、航天、航海和许多民用领域都得到了广泛的应用，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备。其主要缺点是导航定位误差随着时间增长，因而难以长时间独立工作。4.4.1

GPS卫星导航方法GPS/惯性综合导航克服了各自的缺点，取长补短，使综合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度。其优点表现为：对惯性导航系统可以实现惯性传感器的校准、惯性导航系统的空中对准、惯性导航系统高度通道的稳定等，从而可以有效地提高惯性导航系统的性能和精度；对GPS、惯性导航系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机的动态特性和抗干扰性。4.4.1

GPS卫星导航方法另外，GPS/惯性综合导航还可以实现GPS完整性的检测，从而提高了导航的可靠性。GPS/惯性综合导航还可以实现一体化，把GPS接收机放入惯性导航部件中，这样系统的体积、重量和成本都可以显著减小，且便于实现惯性导航和GPS的同步，减小非同步误差。总之，GPS/惯性综合导航可以构成一种比较理想的导航系统，是目前导航技术发展的主要方向。4.4.1

GPS卫星导航方法GPS接收机和惯性导航系统的综合，根据不同的应用要求，可以有不同水平的综合，即综合的深度不同。按照综合深度，可以把综合系统大体分为两类，一类称为松散综合或简易综合，另一类称为紧密综合。（1）松散综合这是一种低水平的综合，其主要特点是GPS和惯性导航仍能独立工作，综合作用仅表现在用GPS辅助惯性导航。属于这类综合的有两种模式。4.4.1

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1）用GPS重调惯性导航。这是一种最简易的综合方式，可以有以下两种工作方式。①用GPS给出的位置、速度信息直接重调惯性导航系统的输出。实际上就是在GPS工作期间，惯性导航显示的是GPS的位置和速度；GPS停止工作时，惯性导航在原显示的基础上变化，即GPS停止工作瞬时的位置和速度作为惯导系统的初值。②把惯性导航和GPS输出的位置和速度信息进行加权平均，其原理框图如图4-36所示。4.4.1

GPS卫星导航方法在短时间工作的情况下，第二种工作方式精度较高。而长时间工作时，由于惯性导航误差随时间增长，因此惯性导航输出的加权随工作时间增长而减少，因而长时间工作时，其性能和第一种工作方式基本相同。2）用位置、速度信息综合。这是采用综合卡尔曼滤波器的一种综合模式，其原理框图如图4-37所示。用GPS和惯性导航输出的位置和速度信息的差值作为量测值，经过综合卡尔曼滤波，估算惯性导航系统的误差，然后对惯性导航系统进行改正。4.4.1

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GPS卫星导航方法这种综合模式的优点是综合工作比较简单，便于工程实现，而且两个系统仍然独立工作，使导航信息有一定余度。其缺点是GPS的位置和速度误差通常是与时间相关的，特别是GPS接收机应用卡尔曼滤波器时更是如此。（2）紧密综合紧密综合是指高水平的综合或深度综合，其主要特点是GPS接收机和惯性导航系统相互辅助。为了更好地实现相互辅助的作用，最好是将GPS和惯性导航系统按照综合的要求进行一体化设计。4.4.1

GPS卫星导航方法属于紧密综合的基本模式是伪距、伪距率的综合，以及在伪距、伪距率综合基础上再加上用惯性导航位置和速度对GPS接收机跟踪环节进行辅助，也可以再增加对GPS接收机导航功能的辅助。用于高动态飞行器上的GPS/惯性综合导航通常都是采用紧密综合模式。1）采用伪距、伪距率的综合。这种模式的原理框图如图4-38所示。用GPS给出的星历数据和INS给出的位置和速度计算相应于惯性导航位置和速度的伪距ρⅠ

和伪距率ρⅠ。4.4.1

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2）用惯性速度信息辅助GPS接收机环路。用惯性速度信息辅助GPS接收机环路，可以有效地提高环路的等效带宽，提高接收机的抗干扰性，减小动态误差，提高跟踪和捕获性能。通常高动态用户接收机都采用惯性速度辅助。3）用惯性位置和速度信息辅助GPS导航功能GPS接收机的导航功能有很多也采用卡尔曼滤波技术。对高动态接收机，其导航滤波器的状态为3个位置、3个速度、3个加速度、用户时钟误差和时钟频率误差共11个状态。而低动态接收机则去掉3个加速度状态，只有8个加速度状态。4.4.1

GPS卫星导航方法如果把GPS接收机导航滤波器的位置、速度状态看作惯性导航系统简化的位置、速度误差状态，则用GPS滤波器的估算值校正惯性导航系统输出的位置和速度信息，即可得到GPS的导航解算。这种情况称为GPS的导航功能是在惯性辅助下完成的。目录/Contents01024.4.1

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GNSS-RTK测量4.4.2

GNSS-RTK测量下面内容摘自上海华测导航技术股份有限公司的RTK测量内部培训资料。GNSS是所有全球导航卫星系统及其增强系统的集合，是利用全球的所有导航卫星所建立的覆盖全球的全天候无线电导航系统。目前可供利用的全球卫星导航系统有中国的BDS、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及欧空局的Galileo。

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GNSS-RTK测量1．传统RTK的含义常规的GNSS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（RealTimeKinematic，RTK）方法，是GNSS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图和各种控制测量带来了新的曙光，极大地提高了外业作业效率。4.4.2

GNSS-RTK测量2．RTK的定位原理RTK的定位原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上。基准站和流动站同时接收同一时间、同一GNSS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GNSS差分改正值。4.4.2

GNSS-RTK测量然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站，精化其GNSS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。差分的数据类型有伪距差分、位置差分和载波相位差分三类。前两类差分定位误差的相关性会随基准站与流动站的空间距离的增加而迅速降低，故RTK采用载波相位差分。4.4.2

GNSS-RTK测量3．RTK数据链（1）电台模式1）超高频率（UltraHighFrequency，UHF），其频率为300～300000MHz；其波属于微波，波长为1mm～1m的空间波，小容量微波中继通信。2）甚高频（VeryHighFrequency，VHF），其频率为3～30MHz；其波属于短波，波长为10m～100m，空间波。4.4.2

GNSS-RTK测量（2）网络模式1）GPRS（GeneralPacketRadioService），通用分组无线业务，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。2）CDMA（CodeDivisionMultipleAccess），码分多址数字无线技术。4．电台模式及具体操作（1）电台模式的连接方式电台模式基准站和移动站各部件的连接方式如图4-39所示。4.4.2

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GNSS-RTK测量（2）电台模式的特点1）作业距离一般为0～28km，特别是在山区或城区传播距离会受到影响。2）电台信号容易受干扰，所以要远离大功率干扰源。3）电台的架设对环境有非常高的要求，一般选在比较空旷地域，周围没有遮挡物，而且基准站架设得越高，作业距离越远。4）对汽车蓄电池的电量要求较高，出外业之前汽车蓄电池一定要充满电或有足够的电量。4.4.2

GNSS-RTK测量（3）基准站的架设1）对于任意架站，应选择地域相对空旷、地势相对较高且周围没有干扰的地方架设基准站。2）架设仪器时，要注意仪器的安装以及各种数据线和电源线的连接。3）发射天线最好远离基准站主机3m以上。4.4.2

GNSS-RTK测量（4）基准站的启动1）如果基准站是自启动的，则开机即可；主机搜完卫星后便可发射，然后电台连接上汽车蓄电池，注意正负极的连接。2）如果用电子手簿去启动基准站，具体操作步骤如下：①打开华测测地通软件，通过蓝牙或串口线与基准站主机连接。②新建并保存任务。③在“配置”→“基准站”选项中，天线高度、天线类型，测量到的位置要根据具体的情况进行设置，其他选项为默认设置。4.4.2

GNSS-RTK测量④在“测量”→“启动基准站接收机”设置中，如果是在任意点架站，输入点名即可；如果是在已知点上架站，则直接选择这个点坐标即可。3）对于自启动的方式也可以通过下载相关软件来设置。首先通过数据线将主机与计算机连接上（可以是USB或者串口连接）；打开下载功能，连接主机后单击“设置”按钮。4.4.2

GNSS-RTK测量4）电台发射。①原始数据输出+自启动+Port1。②正常模式+自启动+Port2。③正常模式+自启动+Port2+CDMA/GPRS。5）网络发射。①正常模式+自启动+Port2+CDMA/GPRS。②正常模式+自启动+CDMA/GPRS。4.4.2

GNSS-RTK测量6）接收机复位以上设置完成后，单击“应用”按钮，然后断开主机与计算机的连接，用电子手簿测地通软件进行“接收机复位”，接收机设置如图4-40所示。（5）查看基准站是否已经正常发射1）查看DL3电台的电台灯是否一秒闪烁一次。2）注意DL3电台面板上的电压是否存在跳动，发射功率越大，电压跳动的幅度也越大；如果显示“太低”，注意更换蓄电池或降低发射功率。3）查看流动站电台灯是否闪烁，能否差分。4.4.2

GNSS-RTK测量（6）移动站的启动1）移动站与电子手簿测地通软件通过串口线或蓝牙进行连接。2）移动站电台灯如果每秒闪烁一次，表示收到电台信号，在“单点定位”的情况下，直接单击“测量”→“启动移动站接收机”即可，大约10s多后就可差分，在移动站得到固定解后可进行测量。注意：当基准站正常发射信号时，若移动站没有信号，应注意频率是否统一，要对移动站进行读写频率的设置。（7）测量或放样测量或放样界面如图4-41所示。4.4.2

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GNSS-RTK测量（8）对移动站进行读写频率的设置对上海华测导航技术股份有限公司的产品X90D\X90F\X91等型号的仪器进行读写频率的设置，方法如下：1）可直接在测地通软件的“内置电台和GPRS”选项中设置模式和频率，如图4-42所示。2）也可以用电子手簿上或计算机中的HCGPRS进行设置，改变频率，如图4-43所示。4.4.2

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5．网络模式及具体操作

1）网络通信模式采用GPRS或CDMA拨号上网，其逻辑关系如图4-44所示。4.4.2

GNSS-RTK测量（2）网络通信模式1）基准站：包括外挂模块和内置模块，通过串口线直接接入Internet。2）移动站：包括外挂模块，内置模块，电子手簿CF卡（手簿网络模式）和蓝牙手机。（3）网络通信模式的特点1）优点：信号作用距离远，携带方便。2）缺点：容易造成差分数据延迟2～5s；在没有手机信号的地方无法使用；需要一定的手机费用。4.4.2

GNSS-RTK测量（4）基准站设置——华测X90G/X90D/X90F/X91（内置GPRS）1）要设置成自启动，模式为：正常模式+自启动+Port2+CDMA/GPRS；正常模式+自启动+CDMA/GPRS。2）对内置GPRS模块进行设置：可以通过计算机中的HCGPRS软件进行设置；或者通过电子手簿中的HCGPRS软件进行设置。华测X90D/X90F/X91也可直接在测地通软件的“内置电台和GPRS”选项中进行设置。4.4.2

GNSS-RTK测量3）通过计算机中的HCGPRS软件进行通信参数的设置。首先在计算机上安装华测RTK软件，通过单击“开始”→“程序”→“HUACERTK”→“工具”下的HCGPRS软件，将主机与计算机连接上。4.4.2

GNSS-RTK测量华测服务器地址为222.44.183.12；UDP协议端口选9902；TCP协议端口选9901。具体设置如图4-45所示，通讯协议1㊀选择“UDP一对多”；服务器IP输入：222.44.183.12；端口输入9902；APN接入点名称：CMNET；移动服务商号码：*99***1#；拨号用户名、密码项不用输入；模式选择“基准站”；端口号是主机与计算机连接的端口；硬件类型选择“X90D”；“原始协议”不勾选（它是针对外置模块的），最后单击“更新”按钮。4.4.2

GNSS-RTK测量TCP（TransmissionControlProtocol，传输控制协议）是基于连接的协议，也就是在正式发送数据前先建立可靠连接，比较安全，适用于数据量大的环境。UDP（UserDataProtocol，用户数据协议）是与TCP相对应的协议，是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接将数据包发送过去。UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。4.4.2

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4）通过电子手簿上的HCGPRS软件进行通信参数的设置。打开电子手簿，可以在手簿桌面上直接双击图标，也可以通过“开始”菜单打开HCGPRS软件，然后进行设置。首先通过蓝牙或数据线连接主机，单击“获取”按钮，然后打开软键盘，输入服务器IP、端口和APN接入点名称，具体设置与在计算机上设置的方式一样；然后单击“更新”按钮，如图4-46所示。通讯协议与软件界面保持一致。4.4.2

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GNSS-RTK测量（5）基准站设置——外置模块的设置华测GNSSRTK接收机的基准站与外置模块的连接关系如图4-47所示。外置模块的设置可以通过计算机中的HCGPRS软件来设置，将模块通过数据线与计算机相连，打开HCGPRS，具体设置与内置模块的设置一样。勾选“原始协议”，直接进入GPRS选项卡进行设置，参数设置方法如图4-48所示。4.4.2

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GNSS-RTK测量（6）移动站的设置——外置模块的设置移动站外置模块的设置方法同上，其中基准站ID是基准站模块的S/N号，如果是华测内置的基准站，则输入基准站主机的S/N号即可。模块设置好后直接连接到主机上，启动移动站即可。华测GNSSRTK接收机移动站外置模块的设置界面基本如图4-48所示，只是模式应为移动站。4.4.2

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6．网络RTK以及仪器的操作（1）网络RTK简介网络RTK技术实际上是一种多基准站技术，它利用了多个参考站的联合数据。其常用的技术和软件如下：1）天宝（Trimble）公司的VRS虚拟参考站技术，GPSnet软件。2）德国徕卡（Leica）公司的MAX主辅站技术，SpiderNET软件。3）株式会社索佳·拓普康公司的TOPnet软件。4）上海华测导航技术股份有限公司的APIS软件。4.4.2

GNSS-RTK测量（2）网络RTK的优势1）无须架设参考站，省去了野外工作中的值守人员和架设参考站的时间，降低了作业成本，提高了生产率。2）使得传统作业模式的“1+1”GNSS接收机真正等于2，生产率得到双倍提高。3）不需要再四处寻找控制点。4）扩大了作业半径，网络覆盖范围内能够得到均等的精度。5）在CORS（连续运行参考站）覆盖区域内，能够实现测绘坐标系和定位精度的统一，便于测量成果的系统转换和多用途处理。4.4.2

GNSS-RTK测量（3）CORS系统连续运行参考站（CORS）也称为台站网，是一个或若干个固定的、连续运行的GNSS参考站，